李晓明， 史永胜， 雷怀光， 高丹阳

(1.陕西科技大学 电气与信息工程学院, 陕西 西安　710021； 2.陕西科技大学 理学院， 陕西 西安　710021； 3.陕西科技大学 人事处， 陕西 西安　710021)



基于MC33067的高效率全桥LLC谐振变换器的研制

李晓明1， 史永胜2*， 雷怀光3， 高丹阳1

(1.陕西科技大学 电气与信息工程学院, 陕西 西安710021； 2.陕西科技大学 理学院， 陕西 西安710021； 3.陕西科技大学 人事处， 陕西 西安710021)

摘要：对全桥LLC谐振变换器的工作原理进行了分析，并采用高性能谐振控制器MC33067设计了一款输入为DC300～400 V、输出为DC48V/12A的原理样机，同时利用Saber仿真软件对其进行辅助设计.仿真结果表明，其输出电压稳定在48 V左右、输出纹波小于±0.5%，理论设计合理；样机测试结果表明，本文所设计的全桥LLC谐振变换器能够在全负载范围内实现软开关，效率达到了93%以上，符合设计要求.

关键词：变换器； 谐振； 软开关； Saber软件

0引言

随着电力电子技术的快速发展，人们对开关电源的高频化、高效率、高功率密度以及低噪声等提出了更加严苛的要求[1-3].全桥LLC谐振变换器因其电路结构简单、在宽负载范围内可实现零电压开关(ZeroVoltageSwitch，ZVS)和零电流开关(ZeroCurrentSwitch，ZCS)，且当其工作在谐振频率附近时，初及次级电流接近正弦、高次谐波小等优点，故有利于电磁干扰(ElectromagneticInterference，EMI)设计[4,5].但又由于其谐振腔参数设计自由度高，使得调试工作繁琐耗时.基于些，本文采用Saber仿真软件对其进行仿真.

近几年来，Matlab、Pspice等仿真软件因为功能相对比较齐全，所以应用较为广泛.目前而言,Saber软件因具有集成度高、元件库丰富、完整的图形查看功能、完整的高级仿真以及强大的收敛性分析和仿真精度高等优点，而在国内得到了快速地推广应用[6-8].

本文采用高性能谐振控制器MC33067设计了一台输入为DC300～400V，输出为DC48V/12A的原理样机，并利用Saber仿真软件对其进行了仿真，同时对试验结果进行分析验证.

1全桥LLC谐振变换器的基本工作原理

图1为全桥LLC谐振变换器的拓扑.全桥结构由于具有较高的功率密度而被应用在大、中功率场合[9-11].该电路主要包括初级输入稳压大电容C1、四个主功率开关管(S1-S4)以及它们的体二极管和漏源极之间的寄生电容、谐振腔(励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr，其中励磁电感Lm集成在变压器里)；次级则由整流二极管(D5、D6)以及输出滤波电容C2组成.

该变换器采用脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，PFM)，由Lr、Cr组成第一谐振频率为：

(1)

由Lr、Cr和Lm组成第二谐振频率为：

(2)

在这里,我们令fs为谐振变换器的工作频率.

图1　全桥LLC谐振变换器的主电路拓扑

全桥LLC谐振变换器在调频工作模式下，通过改变开关频率来调节其能量输出的大小.根据工作频率fs与谐振频率f1的大小关系，LLC谐振变换器存在三种工作模式.对于全桥LLC谐振变换器电路，当fs>f1时，其工作状态类似于串联谐振(SRC)；当fs=f1时，励磁电感Lm不参与谐振，端电压被钳位，实现整流二极管ZCS关断；当f1>fs>f2时，电路总是工作在ZVS状态，整流二极管实现ZCS关断，从而得到较高的效率.使用Saber软件对此模式(f1>fs>f2)进行仿真，得到电路的主要工作波形如图2所示.

图2　全桥LLC谐振变换器电路的主要波形

2全桥LLC谐振变换器的设计

全桥LLC谐振变换器电路的设计难点主要在于对谐振网络内部参数的设计.合理的参数设计才能够保证变换器在全范围电压输入的情况下，实现开关管的零电压开关和整流二极管的零电流开关.本文令Uin=300～400V、Uout=48V、Iout=12A、整流二极管导通压降Uf=1.5V.

2.1主电路关键参数设计

选取fs=100KHz，利用Mathcad软件对参数进行辅助设计.

(1)选用MUR3020PT快速恢复二极管作为整流二极管，其压降Vf为1.5V.计算变压器变比为:

(3)

根据实际情况，取N为9.利用AP算法求得原边匝数为36匝、副边匝数为4匝.

(2)计算最大、最小输入电压时增益Mmin、Mmax.

(4)

(5)

其中，Umin、Umax分别为输入直流电压的最小值和最大值，分别为324V和396V.

(3)计算等效电阻.

(6)

(4)计算K、Q、Cr、Lr、Lm为：

(7)

在这里，K取为4.

其中，最高开关频率一般为fn_max=2

(8)

(9)

在这里，取Q=0.3

(10)

(11)

Lm=KLr=418 uH

(12)

主电路关键参数设计完毕后，在保证输出功率留有一定裕量的前提下，主变压器选用EE50磁芯，初级功率管选用SPP20N60C，次级整流管选用MUR3020PT快速恢复二极管，输出滤波电容的选择要考虑体积和成本.当输出滤波电容很大时，输出电压稳定性越好，故这里我们选择3个100uF/50V小容量的电解电容并联而成，减少电容等效串联电阻ESR，以减小输出电压纹波.

2.2控制电路参数设计

如图3所示，全桥LLC谐振变换器的控制部分主要是由三个部分构成，即驱动信号的产生电路、功率驱动电路以及输出隔离反馈电路.其中,驱动信号是由高性能谐振控制器MC33067产生，功率驱动电路主要由6N137和IR2110构成，输出隔离反馈电路由PC817构成.

MC33067主要应用于离线和DC/DC变换器场合，其实质性机理是通过改变电流来改变内部压腔振荡器频率.芯片采用固定死区时间的PFM互补调制技术[12].通过采样电路对输出电压进行采集，将采样电压与芯片内部的基准电压进行比较，芯片将根据反馈量大小进行PFM.最后，通过带光耦隔离的驱动电路来驱动四个MOSFET.芯片内部则主要由压腔振荡器、误差放大器、基准电压、软启动电路以及输出电路等构成.

图3　MC33067硬件结构示意图

图4　振荡器的外围连接电路

MC33067芯片外围电路的主要参数设计如下：

(1)最小/最大开关频率.

MC33067的最大/最小频率应该与主电路的最大/最小工作频率相匹配.即最大频率为100KHz、最小频率为50KHz.

(2)振荡电容Cosc、振荡电阻Rose、调频电阻RVFO.

如图4所示，通过改变流出振荡器的电流来调节振荡器的频率.调频电阻RVFO与误差放大器输出一起作用来改变流出振荡器的电流(Irosc).当误差放大器输出为低电平时，此时流出振荡器的电流达到最大值，最大频率也相应出现;相反，当误差放大器输出为高电平时，此时流出振荡器的电流为零，最小频率出现.

振荡电容Cosc通过振荡电阻Rose放电.振荡电容Cosc阻值确定后，振荡电阻Rose便可决定其最小频率.在这里，我们取Cosc=2.4nF.以下，给出Rose的计算方法：

(13)

式(13)中：tPD为芯片的内部传输延时.

(14)

式(14)中：VEAsat为电压误差放大器低电位时的饱和电压，其值为0.1V；Imax为输出频率为最大频率时振荡电容需要的总放电电流.

(3)定时电阻RT和定时电容CT.

如图4所示，死区时间通过16引脚的外围电路决定，所以定时电阻RT和定时电容CT主要和死区时间有关.本文设定了相对较长的死区时间为Tdead=500ns.

(15)

得到RT=2.9kΩ、CT=500nF.

3实验仿真与分析

在Saber模型库中选取相对应的模型对整体电路进行搭建[13].如果选件库内没有相对应的合适模型，可以用相近模型来替代或者建模.

由元器件搭建的电路图在Saber仿真软件环境下,需对元器件参数进行设计和调整.这里要着重注意的是：每调整参数一次，就需要在Schematic列表中选择Re-Reference进行重新参考，在Design下拉菜单里的Use中选择当前文件，并再次通过Design菜单选择Netlist_(自定义文件名)进行网表化.这样的操作可以避免在直流扫描分析和瞬态分析中出现不必要的错误.

为了验证本设计具有高效率的特性,本文研制了一台基于MC33067的全桥LLC谐振变换器样机，其设计参数如下：

输入电压：Vin=300～400VDC；

输出额定功率：Po=576W；

输出直流电压：Vo=48VDC；

输出直流电流：Io=12A；

输出电压纹波：<±0.5%；

效率：不低于93%;

工作频率：fs=100KHz.

图5为满载时超前桥臂MOS管栅极驱动信号、漏源极电压、励磁电流和谐振电流的波形.由图5可以看出，当MOS管关断时，其漏源电压缓慢上升;当MOS管开通时，其漏源电压已经降为零，从而实现了零电压开关.当全桥LLC谐振变换器工作在f1>fs>f2的频率范围时，一个开关周期可以分为8个阶段，当输入电压增加时，通过增大开关频率来维持输出电压的稳定.

图5　Saber仿真全桥LLC谐振变换器电路的主要波形

在CosmosScope界面观察相关波形，其输出电压波形图如图6所示.对输出电压进行测量，其值为48.056V，达到了输出电压纹波小于1V的要求.

图6　满载时输出电压波形

4实验结果

图7为全桥LLC谐振变换器的实物图.包括主电路和采样电路.将其与控制电路、驱动电路依次连接，并进行上电测试.

图7　全桥LLC谐振变换器实物

可以得到图8所示的实验波形为S2零电压开通时各极间电压.上电测试表明，此全桥谐振变换器能够在全负载范围内实现原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断.

图8　实验波形

当变换器工作在f1>fs>f2的频率范围内时，其实际工作效率随着输入电压的不断增加而增加；直至变换器的输入电压超过380V时，效率开始下降.其原因是变换器工作的谐振频率点超过了f1的频率，此时的副边二极管存在反向恢复问题，使得损耗增加，效率降低.

综上所述可知，当输入电压工作在380V±0.5%附近时，效率达到最高，此时的工作频率理论上等于f1.

图9为不同输入电压时效率的测试数据图.

图9　不同输入电压时效率的测试数据图

5结论

本文介绍了全桥LLC谐振变换器的工作原理，并采用高性能谐振控制器MC33067设计了一款输入为DC300～400V，输出为DC48V/12A的实验样机.

实验结果表明，该拓扑结构简单易控，大大降低了开断损耗，并且能够在全负载范围内实现初级开关管ZVS、次级整流二级管ZCS、输出纹波低于1V、效率达到93%以上，符合开关电源高功率密度和高效率的要求.因此，该拓扑具有很好的应用前景[14-16].

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Developmentofhigh-efficiencyoffull-bridgeLLC

resonantconverterbasedonMC33067

LIXiao-ming1， SHI Yong-sheng2*，LEIHuai-guang3, GAO Dan-yang1

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi′an710021,China； 2.CollegeofScience,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 3.PersonnelDivision,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:This paper analyzes the theory of LLC resonant converter that takes the full-bridge as the main circuit.An program for the full-bridge converter based on MC33067 is introduced.Finally a prototype of 300～400 V input,48 V/12 A output was fabricated and tested.Using Saber software in designing the full-bridge LLC resonant converter.The experimental results proved that the output voltage is stable at 48 V,output ripple is less than ±0.5%，efficiency is more than 93%,achieve the design requirements.

Key words:converter； resonant； soft switching； Saber software

中图分类号：TM461

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)05-0178-05

通讯作者

作者简介:李晓明(1991-)，男，陕西西安人，在读硕士研究生，研究方向:电力电子与电力传动:史永胜(1964-)，男，陕西西安人，教授，博士，研究方向:开关电源技术，shiys@sust.edu.cn

收稿日期:*2015-09-11基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(12JK0494)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ08-07)